Rezonanța atmosferică, ce este acest fenomen și poate prezice vremea?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Modificat ultima dată: 2023-12-16 16:15

Atmosfera Pământului vibrează ca un clopot uriaș: undele călătoresc de-a lungul ecuatorului în ambele direcții, încercuind globul. La această concluzie au ajuns oamenii de știință din Japonia și Statele Unite, confirmând ipoteza de lungă durată a rezonanței atmosferice. Ce este acest fenomen și poate fi folosit pentru a prezice vremea și schimbările climatice pe termen lung?

Valuri Laplace

La începutul secolului al XIX-lea, fizicianul și matematicianul francez Pierre-Simon Laplace a comparat atmosfera Pământului cu un ocean vast care acoperă planeta și a derivat formule, cunoscute astăzi sub numele de ecuațiile mareelor lui Laplace, utilizate în calcule pentru a face prognoze meteo.

Laplace credea că atmosfera are propriul flux și reflux, precum și valuri de mase de aer și energie termică. Printre altele, a menționat oscilații verticale la suprafața Pământului, care se propagă în direcția orizontală, care pot fi înregistrate prin modificări ale presiunii la suprafață.

Mareele de căldură atmosferice asociate cu rotația Pământului au fost descoperite de mult timp de geofizicieni. Cu toate acestea, undele orizontale nu au putut fi detectate. Și acum este clar de ce.

După cum au descoperit Takatoshi Sakazaki de la Școala Absolventă de Științe a Universității din Kyoto și Kevin Hamilton, profesor al Centrului Internațional de Cercetare a Pacificului de la Universitatea din Hawaii din Manoa, undele Laplace au scari foarte mari - acoperă aproape emisfere întregi - și foarte scurte. perioade, mai puțin de o zi.

Prin urmare, au fost trecute cu vederea în studiul fenomenelor atmosferice locale, cum ar fi furtunile, și în studiul mișcărilor mari, dar pe termen lung, ale maselor de aer.

Diagrama lungimilor de undă orizontale și perioadelor fenomenelor atmosferice care au fost studiate anterior de oamenii de știință. Steaua sunt valuri de maree. Contur roșu - zona de rezonanță a undei Laplace

„Tabla de șah” a Pământului

Autorii studiului au analizat date de la Centrul European pentru Prognozele Meteo pe Interval Mediu (ECMWF) timp de 38 de ani - din 1979 până în 2016 inclusiv, inclusiv modificările orare ale presiunii atmosferice de suprafață pe întreaga suprafață a planetei. Drept urmare, au fost identificate zeci de moduri de undă necunoscute anterior - sisteme de oscilații armonice, pe care oamenii de știință le numesc moduri.

Cercetătorii au fost interesați în special de undele cu perioade scurte de la două până la 33 de ore, care se propagă orizontal în atmosferă de pe tot globul, cu o viteză extraordinară - mai mult de 1100 de kilometri pe oră.

Zonele de presiune înaltă și joasă asociate cu aceste unde creează un model de tablă caracteristică pe hartă, care, totuși, diferă pentru fiecare dintre cele patru moduri principale - Kelvin, Rossby, unde gravitaționale și o combinație a ultimelor două.

Un model de tablă de șah creat de regiunile de presiune scăzută (albastru) și înaltă (roșu). Ca exemplu, sunt prezentate două dintre cele patru moduri principale - Kelvin și gravitațional cu perioade de oscilație a atmosferei Pământului de 32, 4 și 9, 4 ore. Rezultate simulare pe calculator

Clopot de aer

S-a dovedit că atmosfera Pământului este ca un clopoțel, atunci când tonurile înalte sunt suprapuse pe fundalul principal de frecvență joasă. Această combinație de sunet profund de fundal cu revărsări subtile face ca sunetul clopoțelului să fie atât de plăcut.

Doar „muzica” Pământului nu este sunet, ci valuri de presiune atmosferică, care acoperă întregul glob. Fiecare dintre cele patru moduri principale este o rezonanță a atmosferei, prin analogie cu rezonanța unui clopot. În acest caz, undele Kelvin de joasă frecvență se propagă de la est la vest, iar restul - de la vest la est.

Oamenii de știință au calculat parametrii rezonanței care decurg din adăugarea tuturor celor patru moduri, exact a coincis cu predicțiile lui Laplace. Și asta a confirmat ideea sa principală că vremea este controlată de undele de presiune atmosferică.

„Este îmbucurător faptul că viziunea lui Laplace și a altor fizicieni pionier a fost pe deplin confirmată două secole mai târziu”, a citat Takatoshi Sakazaki într-un comunicat de presă de la Universitatea din Hawaii din Manoa.

„Identificarea noastră a atâtor moduri în datele din lumea reală arată că atmosfera sună într-adevăr ca un clopoțel”, continuă Hamilton.

Autorii numesc apariția zonelor de încălzire ascunse datorită convecției atmosferice și mecanismul în cascadă de propagare a fluxurilor de energie turbulente drept posibile cauze ale rezonanței globale.

Deplasarea regiunilor de presiune joasă (albastru) și înaltă (roșu) pentru fiecare dintre cele patru moduri principale: A - unde Rossby; B - unde Kelvin; С - unde gravitaționale; D - modul mixt Rossby - gravitație

Vânturi ecuatoriale în Antarctica

Un alt fenomen asociat cu valurile din atmosferă a fost explicat recent de oamenii de știință americani de la Universitatea Clemson din Carolina de Sud și de la Universitatea Colorado din Boulder.

Observând vortexurile polare de la stația McMurdo din Antarctica - curenți circulari masivi de aer rece care spiralează peste fiecare dintre polii Pământului - ei au observat că vortexul antarctic este sincron cu fazele oscilațiilor cvasibienale din atmosferă (QBO).

Aproximativ la fiecare doi ani, vânturile latitudinale care suflă la ecuatorul Pământului își schimbă direcția de la est la vest. Frontul începe la o altitudine de peste 30 de kilometri în stratosferă și se deplasează în jos cu o viteză de aproximativ un kilometru pe lună. După 13-14 luni, inversarea vântului are loc simultan de-a lungul întregului ecuator. Prin urmare, un ciclu complet durează de la 26 la 28 de luni.

Schema generală a oscilaţiilor cvasibienale

Americanii au descoperit că în timpul fazei de est a QBO, vortexul antarctic se extinde și se contractă în timpul fazei de vest. Acest lucru se explică prin trecerea undelor gravitaționale meridionale de la ecuator la poli prin diferite straturi ale atmosferei.

Aceste valuri au fost înregistrate și au sugerat că sunt asociate cu o schimbare a direcției vântului care sufla la ecuator - la o distanță de peste nouă mii de kilometri de locul de observare. Comparația cu datele din sistemul de observare meteorologică și atmosferică MERRA-2 al NASA pentru perioada 1999-2019 a confirmat pe deplin acest lucru.

Se știe de mult că extinderea zonei vortexului polar aduce vreme rece la latitudinile mijlocii. Cu toate acestea, faptul că cauza principală este o schimbare a direcției vântului stratosferic la tropice a fost o surpriză.

Oamenii de știință speră că modelele pe care le-au identificat vor duce la modele de climă și circulație atmosferică mai precise pentru prognoza meteo. În același timp, aceștia sunt îngrijorați de faptul că în ultimele decenii, impactul factorilor antropici a crescut.

Deci, în urmă cu patru ani, am observat o încălcare a ciclicității FTC. În februarie 2016, tranziția către vânturile de est a fost întreruptă brusc. Unul dintre cauzele posibile este încălzirea globală.

Sonerie de alarmă

O îngrijorare și mai mare este frecvența tot mai mare a evenimentelor meteorologice extreme, adesea asociate și cu anomaliile undelor atmosferice. În special, oamenii de știință indică apariția undelor Rossby atmosferice cvasi-staționare în emisfera nordică.

Valurile Rossby sunt cotituri uriașe în vânturile de mare altitudine care au un efect profund asupra vremii. Dacă trec într-o stare cvasi-staționară, schimbarea ciclonilor și anticiclonilor este suspendată. Drept urmare, în unele locuri plouă săptămâni întregi, transformându-se în inundații, în timp ce în altele se instalează o căldură anormală, ca anul acesta în Arctica.

Valurile de căldură și seceta care lovesc America Centrală și de Nord, Europa Centrală și de Est, regiunea Mării Caspice și Asia de Est de mai multe ori în timpul verii și durează una până la două săptămâni, provoacă daune grave agriculturii. De câțiva ani la rând, recoltele sunt în scădere aici, ceea ce complică situația socială.

Așa că „muzica” Pământului sună din ce în ce mai des nu ca o melodie blândă, ci ca un alarmant alarmant.